JP6276000B2

JP6276000B2 - 膨張機一体型圧縮機及び冷凍機並びに冷凍機の運転方法

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Publication number: JP6276000B2
Application number: JP2013233149A
Authority: JP
Inventors: 翔太植田; 明登町田; 瑞生工藤
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
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Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2018-02-07
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Also published as: WO2015068522A1; ES2652674T3; US9970449B2; EP3056744B1; EP3056744A1; CN105765234A; RU2652462C2; EP3056744A4; JP2015094259A; US20160265545A1; KR20160070187A; CN105765234B; KR101818872B1; RU2016122892A

Description

本開示は、膨張機一体型圧縮機及び冷凍機並びに冷凍機の運転方法に関する。

冷凍機において冷凍サイクルの圧縮行程を行うための圧縮機として、圧縮機を駆動するモータの出力軸の軸受に磁気軸受等の非接触型の軸受を用いたものがある。非接触型の軸受は、モータの出力軸等の回転軸を非接触で支持する。このため、回転軸と接触した状態で回転軸を支持する転がり軸受と比べて、非接触型の軸受は回転軸との間での機械的な摩擦損失がなく、また、摩耗がないため耐久性に優れる。このため、モータの回転数が大きくなる場合等に、モータ出力軸の軸受に磁気軸受等の非接触型の軸受を用いた圧縮機が用いられる。

このような非接触型の軸受を用いた膨張機一体型圧縮機として、特許文献１には、シャフトの一端にタービン翼車、他端にコンプレッサ翼車を取り付け、シャフトを磁気軸受で支承した磁気軸受式タービンコンプレッサが開示されている。

特開平７−９１７６０

特許文献１に記載されるような膨張機一体型圧縮機を冷凍機に用いると、膨張機で流体が膨張する際に発生する膨張エネルギーの一部が回収され、回収された膨張エネルギーは、圧縮機を駆動するためのモータ回転軸の回転エネルギーとして利用される。このため、モータの動力が低減されることとなり、冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）が向上する。
しかしながら、今後より一層のエネルギー効率化のため、ＣＯＰのさらなる改善が望まれる。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、冷凍機の成績係数を向上し得る膨張機一体型圧縮機及び冷凍機並びに冷凍機の運転方法を提供することである。

本発明の少なくとも一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機は、
モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて流体を圧縮するように構成された圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記流体を膨張させて前記流体から前記出力軸の動力を回収するように構成された膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられ、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出流体の少なくとも一部を前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される流体ラインに抽気するための抽気ラインと、を備え、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成される。

膨張機一体型圧縮機において、ケーシングの内部空間のうち、膨張機と圧縮機との間の領域は、作動流体の本来的な流路ではない。このため、圧縮機と前記領域との間、及び膨張機と前記領域との間は、通常、圧縮機や膨張機から前記領域へ作動流体が漏出しないようにシールが設けられる。しかしながら、このようなシールが設けられていても、作動流体を完全に密封して圧縮機側から漏出させないようにすることは困難である。
本発明者らの鋭意検討の結果、圧縮機で圧縮された作動流体の一部がシールのわずかな間隙を通って圧縮機側から前記領域を介して膨張機側に漏出し、膨張機側に流入した高温の漏出流体が膨張機の断熱効率の低下要因になることが明らかになった。
上記実施形態に係る膨張機一体型圧縮機は、本発明者らの上記知見に基づき工夫を凝らしたものであり、ケーシングの内部空間のうち圧縮機と膨張機との間の領域に連通するように抽気ラインを設け、ケーシング内部において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出流体の少なくとも一部を前記領域からケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される流体ラインに抽気するようにした。このため、膨張機側に流入する高温の漏出流体が低減され、高温の漏出流体から膨張機への熱の移動が低減されるので、圧縮機側からの漏出流体に起因した膨張機の断熱効率低下を改善できる。したがってこの膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍機のＣＯＰを改善できる。
また、仮に、ケーシングが外部から密閉されておらず、前記領域から流体ラインに向かう漏出流体以外のガスのケーシング外部から前記領域内への流入が許容される構成では、ケーシング外部から前記領域内に流入するガスから低温の膨張機側に熱が移動し得る。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因として、漏出流体だけでなく、ケーシング外部から前記領域内に流入したガスも考えられ、抽気ラインを設けても、膨張機側への意図せぬ入熱要因を効果的に防ぐことは難しい。これに対し、上記実施形態に係る膨張機一体型圧縮機では、ケーシングは前記領域とケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域が前記ケーシングの外部から密閉される。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因は基本的には漏出流体だけである。したがって、前記領域内において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出流体の少なくとも一部を流体ラインに導く作動流体の流れを抽気ラインによって形成することで、膨張機側への意図せぬ入熱を効果的に防ぎ、ＣＯＰを劇的に改善することができる。

幾つかの実施形態では、膨張機一体型圧縮機は前記圧縮機とは異なる少なくとも一つの第２圧縮機をさらに備え、前記第２圧縮機は前記モータの前記出力軸に接続される。

幾つかの実施形態では、膨張機一体型圧縮機は前記圧縮機とは異なる少なくとも一つの第２圧縮機をさらに備え、前記第２圧縮機は前記モータとは別の第２出力軸に接続される。

本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍機は、
冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するための冷却部と、
前記冷媒を圧縮するための圧縮機、及び、前記冷媒を膨張させるための膨張機が一体化された膨張機一体型圧縮機と、
前記圧縮機、前記膨張機及び前記冷却部を通して前記冷媒を循環させるように構成された冷媒循環ラインと、を備え、
前記膨張機一体型圧縮機は、
モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて前記冷媒を圧縮するように構成された前記圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記冷媒を膨張させて前記冷媒から前記出力軸の動力を回収するように構成された前記膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられ、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気するための抽気ラインと、を備え、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成される。

上記実施形態に係る冷凍機では、膨張機一体型圧縮機のケーシングの内部空間のうち圧縮機と膨張機との間の領域に連通するように抽気ラインを設け、ケーシング内部において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記領域からケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気するようにした。このため、膨張機側に流入する高温の漏出冷媒が低減され、高温の漏出冷媒から膨張機への熱の移動が低減されるので、圧縮機側からの漏出冷媒に起因した膨張機の断熱効率低下を改善できる。したがってこの膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍機のＣＯＰを改善できる。
また、仮に、ケーシングが外部から密閉されておらず、前記領域から冷媒循環ラインに向かう漏出冷媒以外のガスのケーシング外部から前記領域内への流入が許容される構成では、ケーシング外部から前記領域内に流入するガスから低温の膨張機側に熱が移動し得る。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因として、漏出冷媒だけでなく、ケーシング外部から前記領域内に流入したガスも考えられ、抽気ラインを設けても、膨張機側への意図せぬ入熱要因を効果的に防ぐことは難しい。これに対し、上記実施形態に係る冷凍機では、膨張機一体型圧縮機のケーシングは前記領域とケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出冷媒の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域が前記ケーシングの外部から密閉される。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因は基本的には漏出冷媒だけである。したがって、前記領域内において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を冷媒循環ラインに導く作動流体の流れを抽気ラインによって形成することで、膨張機側への意図せぬ入熱を効果的に防ぎ、ＣＯＰを劇的に改善することができる。

幾つかの実施形態では、前記膨張機一体型圧縮機は、前記抽気ラインに設けられ、前記漏出冷媒の抽気量を調節するための抽気バルブと、前記抽気バルブを制御するためのコントローラと、をさらに備え、前記コントローラは、冷凍機ＣＯＰ、及び、前記膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも何れか一つに基づいて、前記抽気バルブの開度を制御するように構成される。
なお、冷凍機ＣＯＰは、例えば式（１）消費電力基準ＣＯＰ（ＣＯＰ_ｂ）及び式（２）圧縮動力基準ＣＯＰ（ＣＯＰ_ｃ）などから求められる。

（ただし、上記式（１）及び式（２）において、Ｇは冷媒循環ラインを循環する冷媒の質量流量［ｋｇ／ｓ］であり、Ｐはモータの動力（消費電力）［Ｗ］であり、ｈ_１は圧縮機入口エンタルピ［Ｊ／ｋg］であり、ｈ_２は圧縮機出口エンタルピ［Ｊ／ｋg］であり、ｈ_５は冷却部用熱交換器入口エンタルピ［Ｊ／ｋg］であり、ｈ_６は冷却部用熱交換器出口エンタルピ［Ｊ／ｋg］である。）
漏出冷媒により膨張機側に流入する熱は、漏出冷媒を冷媒循環ラインに抽気する抽気量が多いほど減少する。一方、抽気量を多くしすぎると、圧縮機で圧縮された後、冷媒循環ラインを循環せず、冷却対象物の冷却に寄与しない漏出冷媒が増加することとなり、圧縮に用いられるモータ動力の増加及び圧縮機効率の低下を招くこととなる。したがって、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍機のＣＯＰが最大になる抽気量（ＣＯＰ最大抽気量）が存在する。
上記実施形態に係る冷凍機では、このような事情を鑑み、前記冷凍機ＣＯＰ又は、膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、抽気バルブの開度を制御するように構成されたコントローラを設けた。このため、前記冷凍機ＣＯＰ又は、膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、運転条件に応じて抽気量をＣＯＰ最大抽気量近傍の値となるように制御すれば冷凍機のＣＯＰを向上させることができる。
また、条件変化が少ない運転では、手動バルブにより開度調整を行い、一定開度でもよい。

本発明の一実施形態に係る冷凍機の運転方法は、
モータと、前記モータの出力軸に接続される圧縮機と、前記モータの前記出力軸に接続される膨張機と、前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、を含み、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成された膨張機一体型圧縮機を備える冷凍機の運転方法であって、
前記圧縮機により冷媒を圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップにおいて圧縮された前記冷媒を前記膨張機により膨張させる膨張ステップと、
前記膨張ステップにおいて膨張された前記冷媒との熱交換により冷却対象物を冷却する冷却ステップと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられた抽気ラインを通じて、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記ケーシング内部の前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気する抽気ステップと、を備える。

上記実施形態に係る運転方法によれば、抽気ステップにおいて、膨張機一体型圧縮機のケーシングの内部空間のうち圧縮機と膨張機との間の領域に連通するように設けられた抽気ラインを通じて、ケーシング内部において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記領域からケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気するようにした。このため、膨張機側に流入する高温の漏出冷媒が低減され、高温の漏出冷媒から膨張機への熱の移動が低減されるので、圧縮機側からの漏出冷媒に起因した膨張機の断熱効率低下を改善できる。したがって膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍機のＣＯＰを改善できる。
また、仮に、ケーシングが外部から密閉されておらず、前記領域から冷媒循環ラインに向かう漏出冷媒以外のガスのケーシング外部から前記領域内への流入が許容される構成では、ケーシング外部から前記領域内に流入するガスから低温の膨張機側に熱が移動し得る。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因には、漏出冷媒だけでなく、ケーシング外部から前記領域内に流入したガスも考えられ、抽気ラインを設けても、膨張機側への意図せぬ入熱要因を効果的に防ぐことは難しい。これに対し、上記実施形態に係る冷凍機の運転方法では、膨張機一体型圧縮機のケーシングは前記領域とケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出冷媒の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域が前記ケーシングの外部から密閉される。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因は基本的には漏出冷媒だけである。したがって、前記領域内において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を冷媒循環ラインに導く作動流体の流れを抽気ラインによって形成することで、膨張機側への意図せぬ入熱を効果的に防ぎ、ＣＯＰを劇的に改善することができる。

幾つかの実施形態では、前記冷凍機ＣＯＰ又は、前記膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、前記ケーシング内部の前記領域から前記圧縮機の吸入側への抽気量を調節する抽気量調節ステップをさらに備える。
この場合、前記冷凍機ＣＯＰ又は、膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて抽気量を調節するので、冷凍機のＣＯＰを向上させることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、膨張機一体型圧縮機のケーシング内部で圧縮機側から漏出した流体から膨張機に移動する熱を低減し、冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）を向上し得る。

一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の構成の概略を示す図である。一実施形態に係る冷凍機の構成の概略を示す模式図である。一実施形態に係る冷凍機の構成の概略を示す模式図である。一実施形態に係る冷凍機の構成の概略を示す模式図である。一実施形態に係る冷凍機と比較例の冷凍機の膨張機断熱効率比の比較を示すグラフである。一実施形態に係る冷凍機と比較例の冷凍機の冷凍能力比の比較を示すグラフである。一実施形態に係る冷凍機と比較例の冷凍機のＣＯＰ比の比較を示すグラフのである。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の構成の概略を示す図である。同図に示すように、膨張機一体型圧縮機１は、モータ２と、圧縮機４と、膨張機６と、非接触型軸受３２，３４，３６と、ケーシング９と、抽気ライン２４とを備える。
圧縮機４は、モータ２の出力軸３に接続され、モータ２によって駆動されて流体を圧縮するように構成される。一方、膨張機６は、モータ２の出力軸３に接続され、流体を膨張させて流体から出力軸３の動力を回収するように構成される。モータ２は、図１に示すように、圧縮機４と膨張機６の間に配置されていてもよい。また、他の実施形態では、モータ２は、圧縮機４と膨張機の外側に配置されていてもよい（すなわち、例えば、出力軸３の軸方向において、モータ２、圧縮機４、膨張機６の順に配置されていてもよい）。
モータ２の出力軸３は、圧縮機４と膨張機６との間に配置されたラジアル磁気軸受３２，３４及びスラスト磁気軸受３６（本明細書においてまとめて非接触型軸受３２，３４，３６又は磁気軸受３２，３４，３６と称することがある。）によって非接触で支持される。ラジアル磁気軸受３２，３４は、出力軸３の軸方向においてモータ２の両側に設けられ、磁力によって出力軸３を浮上させて出力軸３のラジアル荷重を負担する。一方、スラスト磁気軸受３６は、出力軸３の軸方向においてモータ２の一方の側（図１に示す実施形態ではモータ２と膨張機６との間）に設けられ、出力軸３に設けられたアキシャルロータディスク３７との間にギャップが形成されるように磁力によって出力軸３のスラスト荷重を負担する。
ケーシング９は、モータ２と、圧縮機４と、膨張機６と、ラジアル磁気軸受３２，３４及びスラスト磁気軸受３６を収容する。
なお、スラスト磁気軸受３６及び出力軸３に設けられたアキシャルロータディスク３７とは、圧縮機４とモータ２の間に設けられてもよい。

幾つかの実施形態では、膨張機一体型圧縮機１のケーシング９内部には、圧縮機４からの作動流体のケーシング９内部への漏えいを抑制するためのシール部４４が設けられる。また、膨張機６からの作動流体のケーシング９内部への漏えいを抑制するためのシール部６４とが設けられてもよい。シール部４４，６４は、例えば、ラビリンスシールであってもよい。この場合、ラビリンスシール４４，６４は、図１に示すように、圧縮機４のインペラ４２又は膨張器６のタービンロータ６２の背面側であってインペラ４２又はタービンロータ６２とケーシング９との間、及び出力軸３の周囲であって出力軸３とケーシング９との間に、それぞれ設けられていてもよい。
ところが、圧縮機４からの作動流体のケーシング９内部への漏えいを抑制するシール部４４を設けても、圧縮機４からの作動流体のケーシング９内部への漏えいを完全に阻止することは難しい。すなわち、膨張機一体型圧縮機１のケーシング９内部において、圧縮機４で圧縮され高温となった作動流体の一部は、圧縮機インペラ４２の背面と領域５の間を密封するためのシール部４４のわずかな間隙を通って圧縮機４側から前記領域５に侵入する。領域５に侵入した圧縮機４側からの漏出流体は、出力軸３と磁気軸受３２，３４，３６との間にはギャップを通過し、作動温度が圧縮機４よりも低い膨張機６側に漏出する。
このため、圧縮機４側からの高温の漏出流体に起因して意図せぬ膨張機６への入熱が起こり、膨張機６の断熱効率が低下してしまうおそれがある。

そこで、幾つかの実施形態では、このようにケーシング９内部において圧縮機４側から膨張機６側に向かう漏出流体の少なくとも一部を、領域５からケーシング９の外部の圧縮機４の吸入側又は吐出側に接続される流体ラインに抽気するために抽気ライン２４を設ける。
抽気ライン２４は、ケーシング９の内部空間のうち、圧縮機４と膨張機６との間の領域５に連通するように設けられる。一実施形態では、抽気ライン２４は、ケーシング９を貫通するように径方向に延在している。なお、抽気ライン２４が設けられる軸方向位置は特に限定されず、図１に示すように出力軸３に設けられたアキシャルロータディスク３７と同一の軸方向位置に抽気ライン２４を形成してもよい。
抽気ライン２４を設けることで、膨張機６側に流入する高温の漏出流体が低減され、高温の漏出流体から膨張機６への熱の移動が低減される。これにより、圧縮機４側からの漏出流体に起因した膨張機６の断熱効率低下を改善でき、したがって膨張機一体型圧縮機１を用いた冷凍機のＣＯＰを改善できる。

幾つかの実施形態では、ケーシング９は、前記領域５とケーシング９の外部との間の流体の流れが抽気ライン２４を介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域５をケーシング９の外部から密閉するように構成される。
仮に、ケーシング９が外部から密閉されておらず、前記領域５から流体ラインに向かう漏出流体以外のガスのケーシング９外部から前記領域５内への流入が許容される構成では、ケーシング９外部から前記領域内に流入するガスから低温の膨張機６側に熱が移動し得る。そのため、膨張機６側への意図せぬ入熱要因には、漏出流体だけでなく、ケーシング９外部から前記領域５内に流入したガスも考えられ、抽気ライン２４を設けても、膨張機６側への意図せぬ入熱要因を効果的に防ぐことは難しい。これに対し、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機１では、ケーシング２４は前記領域とケーシング９の外部との間の流体の流れが前記抽気ライン２４を介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域５が前記ケーシング９の外部から密閉される。そのため、膨張機６側への意図せぬ入熱要因は基本的には漏出流体だけである。したがって、前記領域５内において圧縮機４側から膨張機６側に向かう漏出流体の少なくとも一部を流体ラインに導く作動流体の流れを抽気ライン２４によって形成することで、膨張機６側への意図せぬ入熱を効果的に防ぎ、ＣＯＰを劇的に改善することができる。

幾つかの実施形態では、膨張機一体型圧縮機は前記圧縮機とは異なる少なくとも一つの第２圧縮機をさらに備え、前記第２圧縮機は、前記モータの前記出力軸に接続される。
例えば、第２圧縮機、圧縮機４、モータ２及び膨張機６がこの順に配置されるように、第２圧縮機、圧縮機４及び膨張機６がモータ２の出力軸３に接続されてもよい。
また、幾つかの実施形態では、膨張機一体型圧縮機１は、圧縮機４とは異なる第２圧縮機を２以上備えていてもよい。
１以上の第２圧縮機は、モータ２とは別のモータの出力軸に接続され、該モータによって駆動されてもよい。例えば、モータ２とは別のモータの出力軸の両端に１台ずつの第２圧縮機を設け、膨張機一体型圧縮機全体として膨張機１台に対して圧縮機を３台備える構成としてもよい。

次に、図２〜図４を用いて、実施形態に係る冷凍機について説明する。
図２〜図４は、それぞれ、一実施形態に係る冷凍機の構成を示す模式図である。

図２〜図４に示すように、冷凍機１００は、冷却対象物を冷却するための冷却部１６と、圧縮機４及び膨張機６が一体化された膨張機一体型圧縮機１と、冷媒循環ライン２２とを備える。図２〜図４に示す冷凍機１００では、膨張機一体型圧縮機１として、図１に示した、抽気ライン２４を備える膨張機一体型圧縮機１が用いられる。

幾つかの実施形態では、図２〜図４に示すように、冷媒循環ライン２２上には、圧縮機４と、熱交換器１２と、冷熱回収熱交換器１４と、膨張機６と、冷却部１６とがこの順に設けられ、冷媒循環ライン２２はこれらの機器を通して冷媒を循環させるように構成される。
圧縮機４は、モータ２の出力軸３に接続され、モータ２によって駆動されて流体を圧縮されるように構成される。また、膨張機６は、モータ２の出力軸３に接続され、流体を膨張させて流体から出力軸３の動力を回収するように構成される。
熱交換器１２は、冷媒を冷却水と熱交換することにより冷却するために設けられ、冷熱回収熱交換器１４は、冷媒の冷熱を回収するために設けられる。
冷却部１６は、冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するために設けられる。

冷媒循環ライン２２を循環する冷媒は、圧縮機４により圧縮されて温度及び圧力が上昇した後、下流側に設けられた熱交換器１２において冷却水と熱交換することにより冷却される。その後、冷媒は冷熱回収熱交換器１４によってさらに冷却された後、膨張機６によって膨張されて温度及び圧力が低下することで冷熱を生成する。
膨張機６から吐出された冷媒は、冷却部１６において冷却対象物と熱交換することにより冷却対象物を冷却するとともに、熱負荷によって温度が上昇する。
冷却部１６において昇温された冷媒は、冷熱回収熱交換器１４に導入され、上述の熱交換器１２を通った高温の圧縮冷媒と熱交換することにより、残った冷熱を圧縮冷媒に回収させる。この後冷媒は圧縮機４に戻り、再度上述したように圧縮機４により圧縮される。
冷凍機１００においては、このような冷凍サイクルが構成される。

幾つかの実施例では、冷却部１６において冷媒との熱交換により冷却される冷却対象物は、超電導ケーブル等の超電導機器を冷却するための液体窒素である。この場合、超電導機器が超電導状態となるために極低温での冷却が必要となる。このとき、冷凍機１００の膨張機６の吐出側では冷媒が極低温であるため、冷媒循環ライン２２内では、圧縮機４側の温度と膨張機６側の温度の差が大きい。例えば、一実施例において、冷媒循環ライン２２の温度は、圧縮機４の吸入側では約３０〜４０℃、吐出側では約９０〜１００℃であるのに対し、膨張機６の吸入側では約−１９０〜−２００℃、吐出側では約−２１０〜−２２０℃である。
このように圧縮機４側と膨張機６側では温度差が大きいため、ケーシング９内部においても圧縮機４側と膨張機６側では大きな温度差がある。このため、圧縮機４側から膨張機６側に向かう漏出冷媒が少量だとしても、膨張機の断熱効率を低下させる要因となる。したがって、抽気ラインを設けて高温の漏出冷媒をケーシング９の外部に抽気することにより、膨張機４側から圧縮機６側へ流入する熱を低減することができるということは、特にこのような極低温を扱う領域において意義が大きい。

なお、冷媒循環ラインを流れる冷媒としては、冷却対象物の冷却目標温度などに応じて適宜選択することができ、例えばヘリウム、ネオン、水素、窒素、空気、炭化水素等を用いることができる。

幾つかの実施形態では、図２及び図４に示すように、膨張機一体型圧縮機１のケーシング９内部空間のうち圧縮機４と膨張機６との間の領域５に連通する抽気ライン２４は、ケーシング９外部の圧縮機４の吸入側に接続される冷媒循環ライン２２ａに接続される。また、抽気ライン２４上には、抽気量を調整するための抽気バルブ２６が設けられる。

抽気ライン２４を設けたことで、膨張機６側に流入する高温の漏出流体が低減され、高温の漏出流体から膨張機６への熱の移動が低減されることにより、圧縮機４側からの漏出流体に起因した膨張機６の断熱効率低下を改善できる。また、膨張機６側に流入する高温の漏出流体を、抽気ライン２４を経由して冷媒循環ライン２２に戻すので、漏出流体を冷却対象物の冷却に寄与させることができる。したがって冷凍機１００のＣＯＰを改善できる。

また、抽気ライン２４上に抽気バルブ２６が設けられているため、抽気ライン２４において抽気バルブ２６の前後で差圧が発生する。つまり、抽気ライン２４のうち抽気バルブ２６の上流側（前記領域５側）では、圧縮機４で圧縮され高圧となった冷媒が漏出冷媒として存在しており比較的高圧である。これに対して、抽気ライン２４のうち抽気バルブ２６の下流側（冷媒循環ライン２２ａ側）では、冷媒は圧縮機４で圧縮される前の低圧の状態である。したがって、抽気ライン２４において抽気バルブ２６の前後で差圧が発生するため、比較的高圧側の前記領域５側に存在する漏出冷媒は、上記差圧に基づいて比較的低圧側の冷媒循環ライン２２ａ側に自動的に流れることとなる。したがって、動力を加えずとも前記領域５に存在する漏出冷媒を容易に冷媒循環ライン２２に戻すことができるので、エネルギー効率において優れ、ＣＯＰが向上する。

また、圧縮機４の吸入側に接続される冷媒循環ライン２２ａは、冷媒循環ライン２２において低温となった冷媒が冷熱を使い切った後で戻ってくる箇所であり、冷媒循環ライン２２全体の中では比較的高温の部分である。したがって、ケーシング９内部の前記領域５に存在する高温の漏出冷媒を、圧縮機４の吸入側に接続される冷媒循環ライン２２ａに流入させても、冷凍機１００の性能を低下させる要因とはなりにくい。

図３に示す冷凍機１００では、膨張機一体型圧縮機１のケーシング９内部空間のうち圧縮機４と膨張機６との間の領域５に連通する抽気ライン２４は、ケーシング９外部の圧縮機４の吐出側に接続される冷媒循環ライン２２ｂに接続される。また、抽気ライン２４上には、ケーシング９内部において圧縮機４側から膨張機６側に向かう漏出冷媒を前記領域５から冷媒循環ライン２２ｂに圧送するための抽気圧縮機１８が設けられる。

抽気ライン２４を設けたことで、膨張機６側に流入する高温の漏出流体が低減され、高温の漏出流体から膨張機６への熱の移動が低減されることにより、圧縮機４側からの漏出流体に起因した膨張機６の断熱効率低下を改善できる。また、膨張機６側に流入する高温の漏出流体を、抽気ライン２４を経由して冷媒循環ライン２２ｂに戻すので、抽気ライン２４が冷媒循環ライン２２ａに接続されている場合に比べて、モータ２の動力を低減できる。

また、抽気ライン２４上に、漏出冷媒を前記領域５から冷媒循環ライン２２ｂに圧送するための抽気圧縮機１８が設けられる。これにより漏出冷媒を圧縮して冷媒循環ライン２２ｂに圧送し、圧縮機４で圧縮されて高圧となった冷媒と合流させて、冷却対象物を冷却するための冷媒として用いることができる。
この際、膨張機一体型圧縮機１のモータ２を作動させるための動力とは別に、抽気圧縮機１８を作動させるための動力が必要となるが、その分、冷媒循環ライン２２ｂを流れる冷媒よりも多少高い圧力の冷媒が抽気圧縮機１８から冷媒循環ライン２２ｂに合流することになり、冷凍機１００全体としては抽気圧縮機１８の吐出流量が加えられる分、冷凍能力が高くなる。このため、ＣＯＰを向上させることができる。

また、圧縮機４の吐出側に接続される冷媒循環ライン２２ｂは、冷媒循環ライン２２において圧縮機４により圧縮され圧力及び温度が上昇した冷媒が流入する箇所であり、冷媒循環ライン２２全体の中では高温の部分である。したがって、ケーシング９内部の前記領域５に存在する高温の漏出冷媒を、膨張機４の吐出側に接続される冷媒循環ライン２２ｂに流入させても、冷凍機１００の性能を低下させる要因とはなりにくい。

図４に示す例示的な実施形態では、膨張機一体型圧縮機１が、図２に示す冷凍機と同様の構成に加え、抽気バルブ２６を制御するためのコントローラ７０をさらに備える。
コントローラ７０は、冷凍機ＣＯＰ、又は、膨張機６の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、抽気バルブ２６の開度を制御するように構成される。

冷凍機ＣＯＰは、例えば、モータ２の動力（消費電力）を計測して算出することができる。この場合、動力計測を動力センサ７１で行い、計測結果はコントローラ７０に送信される。
膨張機６の吸入側及び吐出側の温度の計測は、それぞれ、冷媒循環ライン２２の膨張機６の吸入側に設置された温度センサ７２及び膨張機６の吐出側に設置された温度センサ７３で行い、計測結果はコントローラ７０に送信される。コントローラ７０は、温度センサ７２及び温度センサ７３で計測された温度から膨張機６の吸入側と吐出側との冷媒温度差を計算する。
また、抽気ライン２４に設置された流量センサ７４により、前記領域５からケーシング９外部の圧縮機４の吸入側に接続される冷媒循環ライン２２ａに抽気される漏出冷媒の抽気量が計測され、計測結果がコントローラ７０に送信される。

幾つかの実施形態では、コントローラ７０は、抽気ライン２４における漏出冷媒の流量、モータ２の動力、冷凍機１００のＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側との冷媒温度差などの計測に基づいて、ケーシング９内部の領域５から圧縮機４の吸入側への抽気量を調節するように構成される。なお、冷凍機ＣＯＰは、例えば式（１）消費電力基準ＣＯＰ（ＣＯＰ_ｂ）及び式（２）圧縮動力基準ＣＯＰ（ＣＯＰ_ｃ）などから求められる。この際、式（１）及び式（２）において、Ｇは冷媒循環ライン２２を循環する冷媒の質量流量［ｋｇ／ｓ］であり、Ｐはモータ２の動力（消費電力）［Ｗ］であり、ｈ_１は圧縮機４入口エンタルピ［Ｊ／ｋg］であり、ｈ_２は圧縮機４出口エンタルピ［Ｊ／ｋg］であり、ｈ_５は冷却部１６用熱交換器入口エンタルピ［Ｊ／ｋg］であり、ｈ_６は冷却部１６用熱交換器出口エンタルピ［Ｊ／ｋg］である。
一実施形態では、コントローラ７０は、目標とする冷凍機ＣＯＰ（以下において「目標冷凍機ＣＯＰ」ともいう。）又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の少なくとも一方を含む冷凍機１００の運転条件を示す情報が記憶されたメモリを備え、動力センサ７１などから算出された冷凍機ＣＯＰ（以下において「測定冷凍機ＣＯＰ」ともいう。）又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果に基づいて前記運転条件が実現されるように抽気バルブ２６の開度を制御して抽気量を調節する。なお、コントローラ７０は、メモリに記憶された冷凍機１００の運転条件を示す情報と、測定冷凍機ＣＯＰ又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果との偏差に基づいて抽気バルブ２６の開度指令値を決定してもよい。この場合、コントローラ７０は、抽気バルブ２６の開度指令値を決定するための制御器として、例えばＰ制御器、ＰＩ制御器、ＰＩＤ制御器等を含んでいてもよい。また、ＣＯＰが最大となる冷凍機１００の運転条件は、冷却部１６における冷却負荷に応じて変化してもよい。この場合、コントローラ７０は、冷却部１６における冷却負荷に応じた運転条件が実現されるように、測定冷凍機ＣＯＰ又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果に基づいて抽気量を調節してもよい。
なお、エンタルピｈ_１、ｈ_２、ｈ_５及びｈ_６は、それぞれ、各ポイントでの圧力Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_５及びＰ_６、温度Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_５及びＴ_６の計測値から求められる。そこで、幾つかの実施形態に係る冷凍機１００には、冷媒循環ライン２２を循環する冷媒の質量流量を測定するための流量計（図示しない）や、圧縮機４の入口及び出口と冷却部１６の入口及び出口の温度及び圧力をそれぞれ測定するための温度センサ（図示しない）及び圧力センサ（図示しない）を設けてもよい。
他の実施形態では、コントローラ７０は、目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の最大値の少なくとも一方を示す情報が記憶されたメモリを備え、測定冷凍機ＣＯＰ又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果が目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の最大値に近づくように、抽気バルブ２６の開度を制御して抽気量を調節する。なお、コントローラ７０は、メモリに記憶された目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の最大値を示す情報と、測定冷凍機ＣＯＰ又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果との偏差に基づいて抽気バルブ２６の開度指令値を決定してもよい。この場合、コントローラ７０は、抽気バルブ２６の開度指令値を決定するための制御器として、例えばＰ制御器、ＰＩ制御器、ＰＩＤ制御器等を含んでいてもよい。

幾つかの実施形態では、コントローラ７０は、スラスト磁気軸受３６の負荷（スラスト荷重）の許容値を超えないように決定された抽気量の上限値を超えないように、ケーシング９内部の領域５から圧縮機４の吸入側への抽気量を調節するように構成される。
スラスト磁気軸受３６の磁力は、出力軸３に加わるスラスト荷重に抗して出力軸３の浮上位置を維持するように電流制御することによって制御される。また、スラスト磁気軸受３６には負荷の許容値（最大値）が存在する。
出力軸３に加わるスラスト荷重は、圧縮機４側における圧縮行程区間（インペラ４２外周部）の圧力に起因する力と膨張機６側における膨張行程区間（タービンロータ６２外周部）の圧力に起因する力との差によって決まる。したがって、抽気バルブ２６を閉じた状態での冷凍機運転時は、出力軸３に加わるスラスト荷重に応じた負荷がスラスト磁気軸受３６に加わり、この負荷に抗して出力軸３の浮上位置を維持するように電流制御がされる。
ここで、抽気バルブ２６を開けると、漏出冷媒が抽気ライン２４を通じて外部に抽気されることにより、ケーシング９の内部の圧力が減少する。この際、図２に示すように圧縮機４のインペラ４２の径が膨張機６のタービンロータ６２の径よりも大きいと、インペラ４２及びタービンロータ６２の表面と裏面との間に生じる力の差はインペラ４２のほうが大きくなる。このため、抽気バルブ２６の開度を大きくすると、それに伴って圧縮機４側から膨張機６側に向かうスラスト荷重が増加する。よって、スラスト磁気軸受３６で負担できるスラスト荷重の最大値に対応した抽気量が存在する。
したがって、上記実施形態のように、スラスト磁気軸受３６の負荷が許容値を超えないように決定された上限値を抽気量が超えないように抽気バルブ２６の開度制御を行うことで、冷凍機の運転に支障のない適切な範囲内で抽気量の制御をすることができる。

他の実施形態では、コントローラ７０は、スラスト磁気軸受３６が負担するスラスト荷重がスラスト磁気軸受３６の耐荷重を超えないように、ケーシング９内部の領域５から圧縮機４の吸入側への抽気量を調節するように構成される。
一実施形態では、コントローラ７０は、スラスト磁気軸受３６の耐荷重に安全率を乗じた許容スラスト荷重にスラスト磁気軸受３６で負担するスラスト荷重が一致するような抽気量が実現されるように抽気バルブ２６の開度制御を行う。
この場合、膨張機一体型圧縮機１にスラスト磁気軸受３６の荷重を計測するための荷重センサを設置し、荷重センサでの計測結果がコントローラ７０に送信されるようにしてもよい。

次に、図１及び図２を用いて実施形態に係る冷凍機の運転方法を説明する。

一実施形態に係る冷凍機の運転方法は、図１に示す膨張機一体型圧縮機１を備える冷凍機の運転方法であり、圧縮ステップと、膨張ステップと、冷却ステップと、抽気ステップとを備える。

圧縮ステップで圧縮機４により冷媒を圧縮した後、膨張ステップでは、圧縮ステップにおいて圧縮された冷媒を膨張機６により膨張させる。その後、冷却ステップでは、膨張ステップにおいて膨張された冷媒との熱交換により冷却対象物を冷却する。幾つかの実施形態では、圧縮ステップの後、膨張ステップの前に、圧縮ステップで圧縮された冷媒を冷却するステップを設けてもよい。
抽気ステップでは、ケーシング９の内部空間のうち圧縮機４と膨張機６との間の領域５に連通するように設けられた抽気ライン２４を通じて、ケーシング９内部において圧縮機４側から膨張機６側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部をケーシング９内部の領域５からケーシング９の外部の圧縮機４の吸入側に接続される冷媒循環ラインに２２ａに抽気する。

抽気ステップにおいて、漏出冷媒の少なくとも一部をケーシング９内部の前記領域５からケーシング９の外部の圧縮機４の吸入側に接続される冷媒循環ラインに２２ａに抽気する。これにより、膨張機６側に流入する高温の漏出流体が低減され、高温の漏出流体から膨張機６への熱の移動が低減されることにより、圧縮機４側からの漏出流体に起因した膨張機６の断熱効率低下を改善できる。また、膨張機６側に流入する高温の漏出流体を、抽気ライン２４を経由して冷媒循環ライン２２に戻すので、漏出流体を冷却能力に影響を及ぼさずに適切に処理ができる。したがって冷凍機１００のＣＯＰを改善できる。

次に、図１及び図４を用いて他の実施形態に係る冷凍機の運転方法を説明する。
実施形態に係る冷凍機の運転方法は、図１に示す膨張機一体型圧縮機１を備える冷凍機の運転方法であり、圧縮ステップと、膨張ステップと、冷却ステップと、抽気ステップと、抽気量調節ステップとを備える。

圧縮ステップ、膨張ステップ、冷却ステップ及び抽気ステップについては、前述の実施形態に係る冷凍機の運転方法と同様であるので、説明を省略する。

抽気量調節ステップでは、冷凍機ＣＯＰ、又は、膨張機６の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、ケーシング９内部の領域５から圧縮機４の吸入側への抽気量を調節する。

幾つかの実施形態では、冷凍機ＣＯＰを算出するためのモータ２の動力の計測は、モータ２の動力（消費電力）を計測するための動力センサ７１で行い、計測結果はコントローラ７０に送信される。
膨張機６の吸入側及び吐出側の温度の計測は、それぞれ、冷媒循環ライン２２の膨張機６の吸入側に設置された温度センサ７２及び膨張機６の吐出側に設置された温度センサ７３で行い、計測結果はコントローラ７０に送信される。コントローラ７０は、温度センサ７２及び温度センサ７３で計測された温度から膨張機６の吸入側と吐出側との冷媒温度差を計算する。
また、抽気ライン２４に設置された流量センサ７４により、前記領域５からケーシング９外部の圧縮機４の吸入側に接続される冷媒循環ライン２２ａに抽気される漏出冷媒の抽気量が計測され、計測結果がコントローラ７０に送信される。

幾つかの実施形態では、コントローラ７０は、抽気ライン２４における漏出冷媒の流量、モータ２の動力、前記冷凍機１００のＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側との冷媒温度差などの計測に基づいて、ケーシング９内部の領域５から圧縮機４の吸入側への抽気量を調節するように構成される。
一実施形態では、コントローラ７０は、目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の少なくとも一方を含む冷凍機１００の運転条件を示す情報が記憶されたメモリを備え、動力センサ７１又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果に基づいて前記運転条件が実現されるように抽気バルブ２６の開度を制御して抽気量を調節する。なお、コントローラ７０は、メモリに記憶された冷凍機１００の運転条件を示す情報と、動力センサ７１又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果との偏差に基づいて抽気バルブ２６の開度指令値を決定してもよい。この場合、コントローラ７０は、抽気バルブ２６の開度指令値を決定するための制御器として、例えばＰ制御器、ＰＩ制御器、ＰＩＤ制御器等を含んでいてもよい。また、ＣＯＰが最大となる冷凍機１００の運転条件は、冷却部１６における冷却負荷に応じて変化してもよい。この場合、コントローラ７０は、冷却部１６における冷却負荷に応じた運転条件が実現されるように、動力センサ７１又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果に基づいて抽気量を調節してもよい。

他の実施形態では、コントローラ７０は、目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の最大値の少なくとも一方を示す情報が記憶されたメモリを備え、測定冷凍機ＣＯＰ又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果が目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の最大値に近づくように、抽気バルブ２６の開度を制御して抽気量を調節する。なお、コントローラ７０は、メモリに記憶された目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の最大値を示す情報と、動力センサ７１又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果との偏差に基づいて抽気バルブ２６の開度指令値を決定してもよい。この場合、コントローラ７０は、抽気バルブ２６の開度指令値を決定するための制御器として、例えばＰ制御器、ＰＩ制御器、ＰＩＤ制御器等を含んでいてもよい。

また、抽気量調節ステップでの抽気量の調節は、コントローラを介さずに、手動で行ってもよい。

幾つかの実施形態では、抽気ライン２４における漏出冷媒の流量、モータ２の動力、前記冷凍機１００のＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側との冷媒温度差などの計測に基づいて、ケーシング９内部の領域５から圧縮機４の吸入側への抽気量を調節する。
一実施形態では、ＣＯＰが最大となる目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の少なくとも一方を含む冷凍機１００の運転条件を示す情報の記録を用意しておき、この記録及び測定冷凍機ＣＯＰ又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果に基づいて前記運転条件が実現されるように抽気バルブ２６の開度を制御して抽気量を調節する。
また、ＣＯＰが最大となる冷凍機１００の運転条件は、冷却部１６における冷却負荷に応じて変化してもよい。この場合、冷却部１６における冷却負荷に応じた運転条件が実現されるように、測定冷凍機ＣＯＰ又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果に基づいて抽気量を調節してもよい。

他の実施形態では、目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の最大値の少なくとも一方を示す情報の記録を用意しておき、測定冷凍機ＣＯＰ又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果が目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の最大値に近づくように、抽気バルブ２６の開度を制御して抽気量を調節する。なお、記録されている目標冷凍機ＣＯＰ又は膨張機６の吸入側と吐出側の温度差の最大値を示す情報と、測定冷凍機ＣＯＰ又は温度センサ７２，７３の少なくとも一方の検出結果との偏差に基づいて抽気バルブ２６の開度指令値を決定してもよい。

他の実施形態では、スラスト磁気軸受３６が負担するスラスト荷重がスラスト磁気軸受３６の耐荷重を超えないように、ケーシング９内部の領域５から圧縮機４の吸入側への抽気量を調節する。
一実施形態では、スラスト磁気軸受３６の耐荷重に安全率を乗じた許容スラスト荷重にスラスト磁気軸受３６で負担するスラスト荷重が一致するような抽気量が実現されるように抽気バルブ２６の開度制御を行う。

次に、一実施形態に係る冷凍機によるＣＯＰ改善効果について、図５〜図７を用いて説明する。
図５は一実施形態に係る冷凍機と比較例の冷凍機の膨張機断熱効率比の比較を示すグラフであり、図６は一実施形態に係る冷凍機と比較例の冷凍機の冷凍能力比の比較を示すグラフであり、図７は一実施形態に係る冷凍機と比較例の冷凍機のＣＯＰ比の比較を示すグラフのである。

本発明の実施形態である冷凍機１００によるＣＯＰの改善効果を確認するために、抽気ライン２４及び抽気バルブ２６を設けた図２に示す冷凍機１００を用いて、各種測定を行った。なお、冷媒としてはネオンを用いた。
比較例の冷凍機としては、抽気ライン２４及び抽気バルブ２６を設けない以外は図２に示す冷凍機１００と同様の構成の冷凍機を用いた。

図２に示す冷凍機１００及び上記比較例の冷凍機を構築し、圧縮機４の吸入側圧力を変化させて、モータ２の動力、膨張機６の吸入側及び吐出側温度等の測定を行い、膨張機断熱効率、冷凍能力、ＣＯＰを取得した。それぞれ結果を図５〜図７に示す。なお、図５〜図７の膨張機断熱効率比、冷凍能力比、ＣＯＰ比は、それぞれ、“抽気無し”で測定した結果を１としたときの比を表す。また、図５〜図７の“圧縮機入口圧力（比率表示）”の基準圧力（圧縮機入口圧力＝１）は、１２０ｋＰａである。

図５に示されるように、冷凍機１００（“抽気有り”）では、測定した圧縮機４の吸入側圧力範囲で膨張機断熱効率が改善され、比較例の冷凍機（“抽気無し”）の膨張機断熱効率を基準として、冷凍機１００では、約１８％改善された。また、図６に示されるように、冷凍能力については比較例を基準として冷凍機１００では約２８％改善した。また、図７に示されるように、ＣＯＰ（圧縮動力基準）についても比較例を基準にして冷凍機１００では約３７％改善することが分かった。
この結果より、抽気ライン２４及び抽気バルブ２６を設けない比較例の冷凍機に比較して、抽気ライン２４及び抽気バルブ２６を設けた冷凍機１００では、ＣＯＰが大幅に改善することが示された。

１膨張機一体型圧縮機
２モータ
３出力軸
４圧縮機
５領域
６膨張機
９ケーシング
１２熱交換器
１４冷熱回収熱交換器
１６冷却部
１８抽気圧縮機
２２冷媒循環ライン
２４抽気ライン
２６抽気バルブ
３２ラジアル磁気軸受
３４ラジアル磁気軸受
３６スラスト磁気軸受
３７アキシャルロータディスク
７０コントローラ
７１動力計
７２温度計
７３温度計
７４流量計
１００冷凍機

Claims

モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて流体を圧縮するように構成された圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記流体を膨張させて前記流体から前記出力軸の動力を回収するように構成された膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられ、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出流体の少なくとも一部を前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される流体ラインに抽気するための抽気ラインと、を備え、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介して前記ケーシングの外部へと向かう前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなり、前記ケーシングの外部から前記領域への流体の流入がないように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成された膨張機一体型圧縮機。
前記圧縮機とは異なる少なくとも一つの第２圧縮機をさらに備え、
前記第２圧縮機は前記モータの前記出力軸に接続される請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
前記圧縮機とは異なる少なくとも一つの第２圧縮機をさらに備え、
前記第２圧縮機は前記モータとは別の第２出力軸に接続される請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するための冷却部と、
前記冷媒を圧縮するための圧縮機、及び、前記冷媒を膨張させるための膨張機が一体化された膨張機一体型圧縮機と、
前記圧縮機、前記膨張機及び前記冷却部を通して前記冷媒を循環させるように構成された冷媒循環ラインと、を備える冷凍機であって、
前記膨張機一体型圧縮機は、
モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて前記冷媒を圧縮するように構成された前記圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記冷媒を膨張させて前記冷媒から前記出力軸の動力を回収するように構成された前記膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられ、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気するための抽気ラインと、を備え、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介して前記ケーシングの外部へと向かう前記漏出冷媒の少なくとも一部の流れのみとなり、前記ケーシングの外部から前記領域への流体の流入がないように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成された冷凍機。
冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するための冷却部と、
前記冷媒を圧縮するための圧縮機、及び、前記冷媒を膨張させるための膨張機が一体化された膨張機一体型圧縮機と、
前記圧縮機、前記膨張機及び前記冷却部を通して前記冷媒を循環させるように構成された冷媒循環ラインと、を備える冷凍機であって、
前記膨張機一体型圧縮機は、
モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて前記冷媒を圧縮するように構成された前記圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記冷媒を膨張させて前記冷媒から前記出力軸の動力を回収するように構成された前記膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられ、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気するための抽気ラインと、を備え、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出冷媒の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成され、
前記膨張機一体型圧縮機は、前記抽気ラインに設けられ、前記漏出冷媒の抽気量を調節するための抽気バルブと、前記抽気バルブを制御するためのコントローラと、をさらに備え、
前記コントローラは、前記冷凍機のＣＯＰ、又は、前記膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、前記抽気バルブの開度を制御するように構成された冷凍機。
モータと、前記モータの出力軸に接続される圧縮機と、前記モータの前記出力軸に接続される膨張機と、前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられた抽気ラインと、を含む膨張機一体型圧縮機を備える冷凍機の運転方法であって、
前記圧縮機により冷媒を圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップにおいて圧縮された前記冷媒を前記膨張機により膨張させる膨張ステップと、
前記膨張ステップにおいて膨張された前記冷媒との熱交換により冷却対象物を冷却する冷却ステップと、
前記ケーシングの外部から前記領域への流体の流入がないように、前記領域が前記ケーシングの外部から密閉された状態で、前記抽気ラインを通じて、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが、前記抽気ラインを介して前記ケーシングの外部へと向かう前記漏出冷媒の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記ケーシング内部の前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気する抽気ステップと、を備える冷凍機の運転方法。
モータと、前記モータの出力軸に接続される圧縮機と、前記モータの前記出力軸に接続される膨張機と、前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられた抽気ラインと、を含む膨張機一体型圧縮機を備える冷凍機の運転方法であって、
前記圧縮機により冷媒を圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップにおいて圧縮された前記冷媒を前記膨張機により膨張させる膨張ステップと、
前記膨張ステップにおいて膨張された前記冷媒との熱交換により冷却対象物を冷却する冷却ステップと、
前記領域が前記ケーシングの外部から密閉された状態で、前記抽気ラインを通じて、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが、前記抽気ラインを介した前記漏出冷媒の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記ケーシング内部の前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気する抽気ステップと、を備え、
前記冷凍機のＣＯＰ、又は、前記膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、前記ケーシング内部の前記領域から前記圧縮機の吸入側への抽気量を調節する抽気量調節ステップをさらに備える冷凍機の運転方法。